Ansoft Maxwell稳态磁场求解器仿真实例

由于最近项目进展需要，开始学习电磁模块有限元仿真。上期给大家分享了怎样将Maxwell集成到ANSYS WB中，本期给大家分享下最近笔者学习做的一个小案例（Maxwell 高手绕行勿喷）。

问题描述：求解一段通有100A电流的铜导线在稳定磁场中的受力情况。磁场由永磁体产生。磁性材料为材料库中的NdFe35。磁性材料属性如下定义（X方向磁化）。

 

模型图如下。其中红色框线为求解区域。

注：磁体外部磁感线设置方向是从+X面出发垂直穿过导线进入-X面。即+X面是N极，-X面为S极。

 

Maxwell前处理

求解树如下图：

Boundaries边界条件：这里边界条件未指定，系统自动选取默认边界条件加载到物体外边界。

Excitations激励：在导线两个端面加载100A稳定电流，两端面电流大小方向均一致都流向+Y方向（注意断开导体端面需与求解区域表面重合，否则无法计算）

Parameters参数：选中通电导线然后添加Force力参数。

Mesh operations网格划分：右击鼠标选择Assigned>Inside selection>Length based… 其中导线划分尺寸为0.5mm，磁铁划分尺寸3mm。

Analysis分析设置：这里直接添加分析设置默认即可。

 

结果查看：

鼠标右击Result选择Solution data得到如下结果窗口。

安培力大小为F_z=0.57657N（+Z方向）

 

 

理论验证：

根据安培定律F=BIL可知通电导线受力大小为磁感应强度B*电流*导体长度。受力方向可根据左手定则确定。

选中铜导线右击云图按钮Field overlays>Field>B>B_Vector 查看导线处磁场强度H，磁感应强度B

导线磁场强度H

导线磁感应强度B

上面B、H云图的中间数值之比恰好与真空中的磁导率接近。这与物理课本中讲的介质磁导换算公式是相符和的。下面直接取用B云图的中间数值B=0.557T参与理论验算。电流I取输入值I=100A，导线长度由几何模型可知L=0.01M。

理论计算值F=B*I*L=0.557*100*0.01=0.557N,方向由左手定则：电流+Y，磁场-X，所以可确定力朝向+Z方向。

仿真模拟值F_Z=0.57657（+Z方向）。与理论计算值数值误差为3.4% 方向一致。（由于导线处的磁感线并不是完全朝-X，故有X，Y方向的安培力分量 这里忽略不计）

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